基于激光誘導擊穿光譜的元素成像技術研究進展

羅賢鋒，游利兵，徐 健，方曉東,4，羅 樂,*

(1.合肥工業大學 智能制造研究院，合肥 230009；2.中國科學院 安徽光學精密機械研究所 安徽省光子器件與材料重點實驗室，合肥 230031；3.合肥工業大學 電子科學與應用物理學院，合肥 230009；4.中國科學技術大學 環境科學與光電技術學院，合肥 230026)

引 言

元素成像技術的發展，讓人們對微觀元素世界有了更深的了解。特定元素的原位可視化在生物學、地質學、考古學等領域中扮演著重要角色。通過對元素及其化合物的空間分布探測，使得人們對物質的演化過程有了更深層次的理解。

目前，應用于元素檢測技術的方法有很多種[1],常用的元素成像技術主要依托于以下3種方法：(1)金屬探針方法，如電子探針顯微分析儀(electron probe micro-analyzer,EPMA)、二次離子質譜(secondary ion mass spectroscopy,SIMS)探針等[2-3]；(2)質譜檢測方法，如電感耦合等離子體質譜(inductively coupled plasma-mass spectroscopy,ICP-MS)技術、激光剝蝕電感耦合等離子體質譜(laser ablation-inductively coupled plasma-mass spectroscopy,LA-ICP-MS)法等[4]；(3)輻射方法，如同步輻射X射線熒光成像(synchrotron radiation X-ray fluorescence,SRXRF)技術、粒子誘導X射線發射(particle-induced X-ray emission,PIXE)、透射電鏡-能量彌散X射線(transmission electron microscope-energy dispersive X-ray,TEM-EDX)光譜等[5-8]。這些方法的空間分辨率都達到了微米級別，其中，TEM-EDX的空間分辨率更是達到納米級別。EPMA可進行現場采樣分析，結合顯微鏡能夠實現元素成像，但其耗時過長、檢測極限低，價格非常昂貴；TEM-EDX和PIXE有著較高的檢測極限，但是應用范圍較窄，樣本制備過程繁瑣；SRXRF有著不錯的分辨率及檢測極限，但是元素檢測的過程耗時過長，價格昂貴；LA-ICP-MS在應用及元素檢測能力方面都有不錯的表現，但是對生物樣本中的常見元素如碳(H)、氮(N)、氧(O)、氯(Cl)測量的精度不高，以及其需要嚴格的環境。

近些年，一種基于激光誘導擊穿光譜技術(laser-induced breakdown spectroscopy，LIBS)的元素成像技術倍受關注，該技術能夠實現樣品元素空間分布成像；且得益于LIBS在元素檢測方面的優勢，該成像技術無需復雜的樣本制備過程，樣本大小不受限制，空間分辨率高，可以達到10-6量級的靈敏度，分析速度能達到約100Hz，幾乎是其它分析技術的10倍～100倍，且對分析環境要求較低。得益于以上優點，使它成為一種非常有應用前景的檢測技術，在古氣候研究、生物醫學、工業生產、環境檢測等領域都有不錯的發展，尤其是藥物代謝及生物組織的病理分析等應用。

1 激光誘導擊穿光譜技術原理

激光誘導擊穿光譜技術是一種原子發射光譜技術，是物質分析領域中最便捷和快速的分析技術之一。高能脈沖激光光束聚焦于樣本表面，激發產生等離子體，等離子體在噴射過程中快速冷卻，處于激發態的原子或離子返回基態，最后發出特定光信號[9]。LIBS技術具有檢測迅速[10]、多元素定性定量分析[11-12]、樣本制備方便、樣本多態分析、原位監測[13]等諸多優點。LIBS技術廣泛應用于不同的領域[14]，如工業生產、核聚變裝置監測、地質樣本檢測、環境污染檢測、生物醫學等[15-20]。

近幾十年，LIBS技術的發展主要集中在光譜信號的提升、元素分析方法改進、應用的拓展等方面。維持穩定且強度較高的光譜信號對微量元素的光譜信息提取是至關重要的，相應的方法如信號探測器的升級、環境氣體的改變、穩定磁場的加入等方法。常用的LIBS光譜分析方法包括定性與定量分析。光譜強度的對比是一種普遍的定性分析方式，在多數實踐中，對譜線的相似及不同之處進行比較的應用場景包括：(1)監測樣本頻譜的差異性；(2)樣本的分類；(3)通過數據庫識別樣本等。常見的定性分析方法有主成分分析(principal component analysis,PCA)[21]、偏最小二乘法判別分析(partial least squares-discrimination analysis,PLS-DA)[22]。常見的定量分析方法有多元線性回歸(multi-liner regression，MLR)、偏最小二乘法(partial least squares,PLS)。另外，神經網絡(artificial neural network,ANN)也適用于定性與定量分析[23]。

2 激光誘導擊穿光譜成像技術

LIBS成像技術是基于LIBS技術獲取樣本表面不同位置的主要(微量)元素的光譜強度數據，然后結合不同波長的光譜強度信息以及對應的位置信息進行定性定量分析，最后通過偽彩圖呈現出區域間元素分布的差異性。該成像技術的前端光路工作原理與LIBS相似，都是聚焦光束轟擊目標樣本表面并采集光譜，而LIBS成像技術的特點是：(1)激光器、光譜儀、電動位移裝置之間高速協同工作，該成像技術需要三者按時序協同運轉且對三者運行的速度要求較高，頻率一般在10Hz～100Hz之間；(2)空間分辨率高，該成像技術對分辨率的要求較高，而空間分辨率的提高需要更小的聚焦光斑尺寸，一般小于50μm；(3)數據快速存取技術，由于每幅光譜所含的數據較多，且采集頻率較高，需要更快的數據存取技術將采集的數據保存并分析；(4)元素光譜數據可視化，該技術通過偽彩圖的方式呈現出樣本表面元素分布情況。

傳統LIBS技術對采集光譜的數量要求較少、采集速度要求較低、且需要分析的樣本表面分布較均勻以減少測量誤差，而LIBS成像技術則是需要檢測出樣本中元素分布的差異性。如果說傳統的LIBS技術分析的是“點”；那么，LIBS成像技術分析的則是“面”。與其它成像技術相比，LIBS成像技術在采集速度、工作環境的需求、樣本制備、應用范圍方面都有一定的優勢。

3 激光誘導擊穿光譜元素成像系統

在較高的空間分辨率下的LIBS成像技術需要完成約10000組左右的光譜數據采集，因此需要縮短采集的周期。該過程的實現需要激光器、光譜儀、電動位移裝置及光譜數據處理軟件之間高速協同運行，因此，對整體硬件的要求相對較高，同時硬件間協同運行需要軟件的開發，多數研究人員采用LabVIEW開發相應的軟件控制整套系統去實現樣本按照規劃路線快速的運動，以及激光器和光譜儀的時序同步。

激光源的大小目前應用于元素成像系統的激光器多為紅外(紫外)固體激光器、準分子激光器。雖然在相同激光功率密度下，波長越長，其電子溫度及電子強度越強，光譜強度相對較高，有利于微量元素信號的檢測，但是，紅外光源對等離子體的激發多由于光熱作用，對于生物組織，熱效應會損害光束轟擊區域周邊的細胞活性，因此，對生物組織的檢測主要是利用紫外波段光源。相同條件下，波長越短，空間分辨率越高。另外，有實驗室利用飛秒激光器應用于特定樣本分析，如BELLO等人利用飛秒脈沖激光檢測牙齒中汞合金的擴散深度[24]。

LIBS成像技術空間分辨率的提高同樣依賴于光路聚焦系統。研究者大多采用15倍聚焦透鏡，高倍聚焦鏡頭有助于提高空間分辨率，已報道的光斑直徑在7μm～50μm范圍內，空間分辨率控制在10μm～100μm之間。而且，LIBS成像技術對光譜信號的要求也高。惰性氣體的加入有助于提高減少光路中激光能量的損耗和光譜信號的穩定性，絕大多數相關實驗中都會用到氬氣(Ar)、氦氣(He)等穩定性氣體，法國里昂大學的SANCEY實驗小組對聚焦光路及樣本臺中通入Ar，有效地提高了譜線信噪比[25]。

光譜儀的3個重要參量是：譜線范圍、分辨率、積分時間。譜線范圍定義了LIBS檢測的度量能力，LIBS分析的主要元素相關的原子發射光譜范圍在190nm～850nm。分辨率決定了光譜圖分析電磁波譜中的特征，分辨能力R=λ/Δλ(λ為波長，Δλ為λ處的線寬)，LIBS成像系統常用的光譜儀為Paschen-Runge光譜儀、Czerny-Turner光譜儀，并且配備增強型電荷耦合器件(intensified charge coupled device, ICCD)，對檢測極限的提高及高速掃描都有一定的作用。

對于面積較大的地質樣本，維持每個像素點的激光能量的一致性是必要的，西班牙馬德里孔普魯頓大學的CACERES研究小組通過自動聚焦系統維持聚焦鏡頭與樣本表面每個像素點的恒定距離[26]。

在LIBS成像技術中，激光源(波長、脈沖能量、穩定性)、光路系統及光譜儀對空間分辨率和檢測靈敏度都有重要影響 ，考慮到樣本類型、掃描區域的大小、成像的空間分辨率、檢測的靈敏度以及時間等因素，研究人員可以結合各儀器以滿足實驗需要。表1中回顧了幾種常見的激光器、聚焦光路、光譜儀等類型及空間分辨率和檢測限。

表1 常用的LIBS掃描成像儀器類型

4 激光誘導擊穿光譜成像技術的主要應用

雖然LIBS技術已經發展多年，但是LIBS掃描成像技術的應用時間較短，憑借其諸多優勢，在古氣候研究、人體病理研究、藥物代謝研究、植物組織研究等領域都有廣泛的應用。

4.1 古氣候研究

LIBS技術很早就應用于地質樣本的考古研究中，但是，對于樣本的區域性元素分析報道較少。為了研究古代氣候的變化，如降水情況、地球重大氣候變化、生物生長過程變化等，已有報道基于元素分布成像技術從化石樣本中提取到有參考性的古氣候數據。

海洋軟體動物外殼中的碳酸鈣及微量元素為海洋地表溫度、鹽度及污染等環境分析提供了非常有價值的數據信息。環境變化與元素變化有著高度相關性，并且依賴當地環境和內生機制，通過基于穩定同位素(13C,15N,18O)的碳酸鈣或者微量元素鎂鈣比(Mg/Ca)、鍶鈣比(Sr/Ca)、鍶鎂比(Sr/Mg)分析軟體生物的生長情況。貝殼和珊瑚石是研究海洋氣候中的代表生物。2017年，英國約克大學的HANSMANN研究小組利用元素成像技術快速分析3種不同貝殼外殼樣本中的Mg/Ca光譜強度比值[30]。3種不同樣本分別取自歐洲牡蠣(Ostrea edulis，1758年)、突畸心蛤(Anomalocardia flexuosa，1767年)、鳳凰螺(Conomurex fasciatus，1778年)生長方向上部分位置，通過環氧樹脂對樣本進行固定，用低速切割機對表面進行拋光處理。掃描的空間分辨率較高，為90μm左右，每小時采集光譜數據20000組。該實驗小組對3組樣本同時采用了面掃描及線掃描(沿著生長方向)兩種方法，圖1a、圖1c、圖1e是該實驗的偽彩圖，圖1b、圖1d、圖1f為生長方向上線掃描的Mg/Ca變化。從圖中可以看出,3種不同生物都有非常明顯的層狀分布現象，這些是由于季節性環境變化導致的。通過對Mg/Ca等光譜強度比值IMg/ICa的分析，能夠了解貝殼所處環境的季節變化。

圖1 3種不同海洋軟體動物的Mg/Ca光譜強度比值偽彩圖及生長方向線掃描Mg/Ca變化趨勢

從面積約為10mm2的大型地質樣本表面提取百萬級像素的元素數據一直是分析技術領域的難題。2017年，西班牙馬德里孔普魯頓大學的CACERES研究小組實現了對大面積珊瑚石樣本的元素掃描[26]。該研究小組在分辨率、檢測靈敏度和運行速度上有顯著提升，將樣本的空間分辨率提升至10μm；檢測靈敏度為10-6；且擁有100Hz的掃描速度，是其它元素成像技術的10倍左右，同時將大型地質樣本的元素成像技術首次提升至百萬級像素。文中指出影響分析速度的主要因素主要有以下兩點：(1)激光器的重頻；(2)探測器的采集速率。目前，固體激光器的長脈沖可以實現MHz的頻率，并且有報道探測器的采集速率能達到1kHz，這些優勢賦予LIBS掃描技術在宏觀樣本上分析微觀元素的能力。圖2是珊瑚石中元素在不同部位的分布圖。高濃度的Mg、Sr元素多分布于珊瑚石的邊緣及分支，而Na元素多分布于珊瑚石的軀干中心部分，且樹狀珊瑚石的根部元素濃度高于頂部。

圖2 不同元素在珊瑚石中不同部位的偽彩圖

4.2 人體病理研究

元素在生物組織內的分布情況是病理診斷及治療的重要信息來源。金屬元素的遷移、儲存及分配等生物機制的檢測是疾病快速識別與診斷的重要手段。細胞中化學元素的失調可能導致一系列的疾病發生。針對人體病理分析，LIBS成像技術在該領域也能充分展現其快速的病理(尤其是癌癥)診斷能力，展示了巨大的應用前景。

2017年，法國里昂大學的MONCAYO等人利用LIBS成像系統分析石蠟嵌入的人體皮膚活檢，包括健康的皮膚，帶有黑色素瘤、默克爾細胞癌和鱗狀細胞癌的病態皮膚[32]。通過實驗，分別檢測了金屬及非金屬元素，發現了不同腫瘤皮膚下元素空間分布的差異性及強弱分布情況，并且利用蘇木精伊紅藏紅染色劑(hematoxylin-eosin staining,HES)對4種不同的皮膚進行染色處理以便與LIBS成像技術比較，兩者共同呈現了組織中癌變區域與健康區域之間的明顯界限。該實驗小組實現了對皮膚組織3個生理層(表皮、真皮、皮下組織等)的元素識別及可視化，并與HES染色的皮膚組織進行對比分析，如圖3a所示。結果表明，腫瘤與周圍非腫瘤區域之間，鈉(Na)、鎂(Mg)、鈣(Ca)、鋅(Zn)等元素的分布和含量都不同，在與病理相關的生理區域內，部分元素的存在與缺失帶來了超越視覺的組織病理學信息。

圖3 a—3種不同癌癥細胞組織的成像圖 b—腫瘤細胞中C,H,O元素的成像圖(LIBS)

2017年，法國高等生物科學研究所的BUSSER等人通過LIBS成像技術研究了對皮膚、淋巴、肺部組織中由于術后操作不規范導致的外源性物質的分析檢測[33]。該實驗小組采用了淋巴細胞或者含有顆粒等皮膚組織的炎癥細胞，定位識別分析了如皮膚肉芽腫瘤和皮膚假性淋巴癌中的鋁、鈦、銅和鎢等外生元素。2016年，奧地利維也納化學技術與分析研究所的BONTA等人利用LIBS成像技術對人體腫瘤組織中主要成分元素碳(C)、氫(H)、氧(O)、鈉(Na)、鉀(K)的分布情況進行了研究[28]，如圖3b所示，通過微量元素(如P與O的分布對比)，發現了如磷酸鹽等化合物的高濃度區域，對抗癌藥物的開發及療效驗證有很大的幫助。

4.3 藥物代謝研究

納米藥物的發展在藥物代謝領域展現了巨大的潛力，包括器官成像技術、藥物治療等，納米技術有望徹底解決診斷、基因治療、藥物運輸等技術難題，因此，研究它們在器官中的吸收及代謝特性十分重要，但是由于其體積較小，常規的標記檢測方式如熒光標記等，可能會改變它們的形狀，大小及電荷分布，甚至改變它們的生物特性，且熒光標記技術不穩定，容易丟失部分粒子的分布，導致不能真實顯示器官中納米粒子的分布。目前，越來越多的研究人員利用LIBS成像技術實現了對器官中不同時間段內的納米材料的空間分布呈現。

2014年，法國里昂大學的SANCEY等人利用基于鎘(Gd)和硅(Si)元素的納米材料注入實驗小鼠體內[25]，如圖4所示，并且通過LIBS成像技術分析了不同時間段的小鼠腎臟內部平面上納米材料Gd,Si及腎臟內含元素鐵(Fe)、鈉(Na)的分布成像，空間分辨率為10μm。圖5展示了利用TCP-MS輔助驗證LIBS成像技術結果。從圖5中可以看出，納米材料所含元素在腎臟中的含量呈現先增后減的過程(4h時Gd,Si信號最強)該實驗小組通過LIBS技術實現了納米材料在載體中的成像分析，并且能夠實時跟蹤目標元素的代謝過程和動力學分析，為納米藥物的臨床分析提供了可靠的數據分析。2016年，GIMENEZ等人首次利用兩種互補的成像方法共同實現了小鼠腎臟內納米材料的3維無標簽成像，彌補了器官中元素2維成像的縱向解析不足等缺點[34]。該實驗方法1如圖6所示：將小鼠腎臟器官縱向切片(厚度200μm左右)多組，并分析每組切片雙面元素分布，然后將LIBS圖像疊加在3維圖像中，為Gd,Na,Ca構建覆蓋整個器官的3維模型圖，通過這些模型繪制出了任何深度及橫向方向上的3維圖(空間分辨率為35μm)。實驗方法2如圖7所示：通過同一區域內激光多次剝蝕，剝蝕深度總共為500μm(空間分辨率為10μm左右)。由兩種方法的互補效應更加精準地從3維分析小鼠腎臟中納米材料的代謝過程，特別是在腎髓中對納米材料的深度分析。

圖4 小鼠腎臟實驗圖

圖5 小鼠腎臟橫截面中Gd和Na元素分布圖

圖6 小鼠腎臟縱向切片中Gd,Ca,Na元素分布圖

圖7 小鼠腎臟中Gd,Ca元素的深度分布圖

4.4 植物組織研究

LIBS成像技術也能監測植物樣本所處的環境及生長情況，包括檢測相關元素(這些元素包括營養元素、有毒元素)的攝取、運輸和積累等分布情況，對了解植物樣本的生長情況、所處環境的優劣、植物與環境之間的相互作用，都是非常有意義的。

2016年，中國國家農業信息技術研究中心的ZHAO等人研制出能夠在現場檢測活體植物和土壤中多元素分布的元素映射系統[35],如圖8所示。該系統可以研究植物中營養成分和有害元素的分布，以及植物與環境之間的相互作用。該系統的空間分辨率為200μm，且可以通過數據處理軟件能夠得到植物中農藥的存在與濃度信息。2017年，捷克Masaryk大學的KRAJCAROVA等人通過LIBS成像技術實現了蠶豆根部中金屬離子和納米材料的分布成像[29]。該實驗配置了雙脈沖激光(266nm，1064nm激光器，激光正交)。蠶豆根部被置于10μmol/L的硫酸銅/硝酸銀溶液(CuSO4/AgNO3)或銀納米晶溶液(AgNPs)中后，并對根部固化切片處理(約40μm)。該實驗中發現了植物根部對金屬元素的吸收特性,并為LIBS成像技術在植物學和生態毒理學中的發展提供了可靠的信息。

圖8 現場檢測活體植物設備圖

4.5 其它應用

2017年，奧地利開普勒大學的AHAMER等人首次利用飛秒脈沖激光實現了薄膜的LIBS掃描成像[27]。該實驗小組分別用了銅(Cu)膜和釔鋇銅氧(yttrium barium copper oxide,YBCO)薄膜，兩種薄膜的厚度分別在5nm～500nm和200nm～1000nm范圍內。該實驗中將薄膜成像的空間分辨率提升至6μm，且將LIBS成像的應用拓展至納米級厚度薄膜。2017年，法國里昂大學的TRICHARD等人實現了礦物質中在真空紫外波段(150nm～200nm)的硫(S)等15種元素的LIBS成像，為礦物質樣本的元素識別及特征提取提供了重要的途徑[31]。2017年，捷克中歐技術學院的SKARKOVA等人通過對量子點的2維LIBS成像，避免了部分因實驗環境(如pH值等)造成的不發光量子點的遺漏，展現了LIBS成像技術成為一種新型熒光檢測方法的巨大潛力[36]。

5 結束語

LIBS成像技術是一種具有廣泛應用前景的元素分析技術，且LIBS成像技術在古氣候研究、生物醫學、臨床等領域展現了巨大的應用前景。LIBS成像技術能夠現場檢測、原位檢測、3維空間檢測，且樣本制備相對簡易，對柔軟的生物樣本只需通過固化等處理，與一般的生物制樣方法無多大差別。目前，LIBS成像技術的自動化程度相對較高，能夠同時實現微區及大面積尺寸的樣本掃描成像。實現LIBS成像需要維持空間分辨率和檢測靈敏度及檢測限之間的平衡關系和提高掃描及光譜采集與存儲的速度。未來應該增加定量分析的方法，如利用自由定標法，以及與ICP-MS/OES、光學顯微鏡的聯用等。該技術目前正在進入一個嶄新的時代，越來越多的實驗室將其作為一種新型檢測技術。目前LIBS成像儀器處于研究階段，相信隨著科技的發展，該技術未來一定會往商業化方向發展，且能夠擴展更多的應用。但是，不可否認的是，其對樣本的侵入性會限制它在諸如人體等活體中的檢測。國外在LIBS成像領域取得不錯的研究成果，而國內LIBS成像技術的報道較少，且成像的空間分辨率相對較低，在100μm～500μm左右。